UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CURSO DE ENGENHARIA DE ENERGIAS RENOVÁVEIS
TOMÁS DAHAS JORGE MUNIZ
ESTUDO DE CASO: USO DE RASTREADORES SOLARES COMO
OTIMIZADORES DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE GRANDE PORTE PARA O ESTADO DO CEARÁ
FORTALEZA 2017
TOMÁS DAHAS JORGE MUNIZ
ESTUDO DE CASO: USO DE RASTRADORES SOLARES COMO OTIMIZADORES DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE GRANDE PORTE PARA O ESTADO DO CEARÁ
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia de Energia Renováveis do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial para obtenção do Título de Engenheiro de Energias Renováveis. Orientador: Prof. Dr. Francisco Nivaldo Aguiar Freire.
FORTALEZA 2017
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará
Biblioteca Universitária
Gerada automaticamente pelo módulo Catalog, mediante os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
M936e Muniz, Tomás Dahas Jorge Muniz.
Estudo de Caso: Uso de Rastreadores Solares como Otimizadores de Sistemas Fotovoltaicos de Grande Porte para o Estado do Ceará / Tomás Dahas Jorge Muniz Muniz. – 2017.
72 f. : il. color.
Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia de Energias Renováveis, Fortaleza, 2017.
Orientação: Prof. Dr. Francisco Nivaldo Aguiar Freire.
1. Energia Solar. 2. Sistemas Fotovoltaicos. 3. Sistemas de Rastreamento Solar. I. Título.
Dedico este trabalho aos meus pais, Nelma Maria Moraes Dahas Jorge e Adão Linhares Muniz.
AGRADECIMENTOS
Agradeço em primeiro lugar a Deus, que iluminou meu caminho durante essa caminhada. Aos meus pais, Nelma Maria Moraes Dahas Jorge e Adão Linhares Muniz, por todo o carinho, incentivo e apoio, que foi fundamental ao meu crescimento e formação pessoal.
A minha namorada Marcela Moreira da Rocha Almeida, por todo o amor, carinho, paciência, incentivo, por acreditar sempre em mim e me fazer uma pessoa melhor a cada dia.
Ao professor Francisco Nivaldo Aguiar Freire, pela excelente orientação, atenção, paciência e pelo suporte no pouco tempo que lhe coube, pelas suas correções e incentivos.
A todos os meus professores da graduação, que diretamente contribuíram para minha formação acadêmica, transmitindo valiosos conhecimentos e experiências ao longo do curso, contribuindo no desenvolvimento deste trabalho.
À toda a minha família, que de tantas formas me apoiaram em todos os momentos.
Aos meus companheiros da Energo Engenharia e Consultoria em Energias, pelo excelente ambiente de trabalho, pela amizade e pelo conhecimento transmitido por cada um.
Aos meus amigos e colegas de curso, pelo apoio e incentivo fornecido durante todos esses anos do curso.
“Wer sein Ideal erreicht, kommt eben damit über dasselbe hinaus” (Friedrich Nietzsche)
RESUMO
Com a tendência mundial em aumentar o consumo de energia para as próximas décadas, muitos países tem optado por focar sua geração de energia a partir de fontes alternativas, seja a partir do sol, dos ventos e/ou da biomassa. Neste cenário, a energia solar tem se destacado e tem se apresentado como uma alternativa interessante, principalmente à realidade brasileira. Portanto, o desenvolvimento de tecnologias que realizem a otimização da geração de energia através desta fonte torna-se cada vez mais importante. Os sistemas de rastreamento solar estão entre essas tecnologias, que fazem com que sejam alcançados ganhos consideráveis na geração de eletricidade com relativa simplicidade. O rastreador solar (tracker) tem como função realizar o posicionamento da superfície de captação solar de modo que os raios solares incidam sempre de forma perpendicular na superfície, à medida que o Sol se movimenta ao longo do dia e ao longo do ano, fazendo com que seja aumentada a quantidade de energia solar captada.
Inicialmente são descritos diferentes aspectos relacionados ao uso de trackers, como características da radiação solar ótima que o rastreador solar busca para os módulos captarem, movimentos do Sol, cálculos da posição solar e tipos de trackers existentes. A revisão de literatura é feita baseando-se em estudos sobre sistemas de rastreamento solar realizados por pesquisadores ao redor do mundo. Por último, com o uso do software PVsyst, uma estimativa de quanto seria o ganho na energia solar captada é feita, comparando os cenários em uma usina solar fotovoltaica com o uso de trackers e com estrutura fixa, para a localidade de Pentecoste/CE. Os ganhos apresentaram-se significativos, obtendo-se um aumento de eficiência do sistema de aproximadamente 26%. Assim, com esses resultados teóricos obtidos nas simulações realizadas no software, o potencial do Ceará para o uso de mecanismos de rastreamento solar é mostrado.
ABSTRACT
With the worldwide trend of increasing energy consumption for the coming decades, many countries have decided to focus on alternative sources for energy generation, whether by considering the sun, wind or biomass as energy sources. In these conditions, solar energy is standing out and has been introduced as a very interesting option, specially to the reality of Brazil. Therefore, the development of technologies that optimize energy generation through this source becomes increasingly important. Solar tracker systems are among these technologies, which allow for the achievement of substantial gains in generation of electricity with considerable simplicity.
A solar tracker establishes the positioning of the solar capturing surface so that the incidence always occurs perpendicularly to the surface as the sun moves throughout the day and throughout the year, increasing the amount of captured solar energy. The present paper initially describes different aspects related to the use of trackers, like characteristics of optimal solar radiation that the solar tracker aims to achieve for the modules to capture, movements of the sun, calculations of the sun’s position and existing types of trackers. The bibliographic references are based on studies on solar tracking systems conducted by researchers around the world. Lastly, an estimate is created of how much gain would be achieved with the captured solar energy using the PVsyst software, comparing the scenarios of a photovoltaic solar plant with the use of trackers and with fixed structure for the location of Pentecoste, State of Ceará. The gains were significant, and a system efficiency increase of approximately 26% was obtained. Thus, Ceará’s potential for the use of solar tracking mechanisms is revealed with these theoretical results obtained in the simulations carried out by the software.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Evolução da matriz elétrica brasileira ... 19
Figura 2 Ilustração das componentes da radiação solar ao nível do solo ... 24
Figura 3 Representação das estações do ano e movimento da Terra em torno do Sol ... 25
Figura 4 Inclinação do eixo polar em relação ao plano de órbita da Terra ... 26
Figura 5 Estrutura de uma instalação fotovoltaica ... 27
Figura 6 Estrutura cristalina do silício ... 28
Figura 7 Configuração de um inversor central ... 32
Figura 8 Configuração de um inversor descentral ... 33
Figura 9 Diagrama funcional de um rastreador solar ... 35
Figura 10 Comparação entre a energia gerada em um dia por um sistema fixo e um sistema de rastreamento solar ... 36
Figura 11 Sistema de rastreamento solar passivo ... 38
Figura 12 Estimativa da energia produzida por um sistema de 1 KWp usando variados tipos de seguidores de diferentes cidades ... 39
Figura 13 Sistema de seguidor horizontal N-S ... 40
Figura 14 Seguidor solar de dois eixos ... 42
Figura 15 Dados gerados pela base de dados Meteonorm para Pentecoste ... 44
Figura 16 Área do projeto ... 45
Figura 17 Tela de configurações para a orientação dos módulos ... 50
Figura 18 Definição dos componentes do sistema ... 51
Figura 19 Análise de sombreamento ... 53 Figura 20 Diagrama de perdas no decorrer de um ano para uma usina com estrutura
fixa ... 56 Figura 21 Estratégia de backtracking ... 57 Figura 22 Diagrama de perdas no decorrer de um ano para uma usina com trackers
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Equipamento escolhido para o dimensionamento no PVsyst ... 49
Tabela 2 Parâmetros de simulação ... 54
Tabela 3 Principais resultados para a usina com estrutura fixa ... 55
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
AT Alta Tensão
AutoCAD Software para elaboração de desenhos técnicos a-Si Silício Amorfo
BIG Banco de Informações de Geração CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
CCEE Câmara de Comercialização de Energia Elétrica CdTe Telureto de Cádmio
CIS/CIGS Cobre, Índio e Gálio Seleneto EPE Empresa de Pesquisa Energética
IAM Incidence Angle Modifier
IFC International Finance Corporation
LDR Light Dependent Resistor
LER Leilão de Energia Reserva
LID Light Induced Degradation
MME Ministério de Minas e Energia MPPT Maximum power point tracker
PV PVsyst
Fotovoltaico
Software para dimensionamento de sistemas fotovoltaicos
PR Performance Ratio
OPV Células Fotovoltaicas Orgânicas UFV Usina Solar Fotovoltaica
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 16 1.1. Justificativa ... 19 1.2. Objetivos ... 21 1.2.1. Objetivo Geral ... 21 1.2.2. Objetivos Específicos ... 21 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 22
2.1. Energia e Radiação Solar ... 22
2.1.1. Movimento da Terra ... 25
2.1.1.1. Declinação solar ... 25
2.2. Equipamentos e Tecnologias de um Sistema Fotovoltáico ... 26
2.2.1. Módulos Fotovoltaicos ... 27 2.2.1.1. Tecnologias existentes ... 30 2.2.1.1.1. Silício monocristalino ... 30 2.2.1.1.2. Silício policristalino ... 30 2.2.1.1.3. Filmes Finos ... 31 2.2.2. Inversores ... 31 2.2.3. Sistemas Fotovoltaicos ... 34
2.3. Seguidores Solares - Trackers ... 34
2.3.1. Rastreamento solar passivo ... 37
2.3.2. Rastreamento Solar Ativo ... 38
2.3.2.1. Seguidor de eixo horizontal ... 39
2.3.2.2. Seguidor de eixo polar ... 40
2.3.2.3. Seguidor de eixo vertical ... 40
2.3.2.4. Seguidor polar de dois eixos ... 41
3. METODOLOGIA ... 43
3.1. Obtenção dos Dados Para a Alimentação do Programa ... 43
3.2. Visão Geral Sobre o Software Utilizado (PVSYST) ... 45
3.2.1. Funcionalidades ... 46
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 49
4.1. Metodologia de Cálculos – PVSYST ... 49
4.2. Análise dos Ganhos de Captação de Irradiância Solar Com o Uso de Trackers – Aplicação e Resultados ... 53
4.2.1. Usina com Estrutura Fixa ... 55
4.2.2. Usina com Sistema de Rastreamento Solar ... 56
5. CONCLUSÃO ... 60
REFERÊNCIAS... 61
APÊNDICE A – RELATÓRIO ESTRUTURA FIXA... 65
16 1. INTRODUÇÃO
Tendo como base o aumento do consumo de energia elétrica no mundo e a iminente escassez de recursos necessários para a geração de energia por meio de fontes de energia convencionais esgotáveis, como os combustíveis fósseis, cada vez mais tem se tornado importante o uso de fontes de energias renováveis. Outro agravante que tem acelerado essa busca por fontes alternativas de energia é a emissão de poluentes na atmosfera e a preocupação com a preservação do meio ambiente (CRESESB, 2006). Por conta disso, grandes investimentos têm sido feitos em fontes de energia limpas e renováveis, como a solar e a eólica, visando o desenvolvimento sustentável (PALZ, 2005).
Entre as fontes renováveis citadas, a energia solar é uma das que tem crescido bastante nos últimos anos, em especial a energia solar fotovoltaica. Os sistemas de geração de energia solar fotovoltaica estão se tornando extremamente populares e a tendência é a cada ano aumentar sua utilização, devido à forte e constante redução no custo de instalação e ao aumento da eficiência das células nos módulos. Esta tecnologia ainda se mostra bastante vantajosa quando observada sua vida útil de quase 30 anos e sua fácil reciclagem após esse longo período (BRAGA, 2008).
Segundo o guia “Utility-Scale Solar Photovoltaic Power Plants”, de 2015, da International Finance Corporation (IFC), a tecnologia solar fotovoltaica vem se tornando uma opção de fornecimento de energia cada vez mais importante, com uma capacidade instalada superior a 137 GW em todo o mundo e possuindo adições anuais de cerca de 40 GW nos últimos anos. O guia afirma inclusive um declínio substancial no custo das usinas solares fotovoltaicas (redução de cerca de 80% desde 2008), melhorando a competitividade desta tecnologia, reduzindo a necessidade de subsídios e possibilitando a energia solar de competir com outras opções de geração de energia em alguns mercados. Embora a grande maioria dos projetos em operação de energia solar estejam em economias desenvolvidas, a queda nos preços juntamente com o alto custo dos geradores à diesel, tem despertado um interesse crescente na tecnologia fotovoltaica em países emergentes.
O uso da energia solar é extremamente relevante em instalações remotas, como comunidades rurais isoladas, pois o baixo custo de manutenção e a modularidade facilitam a instalação de sistemas de captação da energia do sol em locais fora do alcance da rede de energia elétrica (ROCHA FILHO, 2013). Para essas áreas, instalações desse tipo
17 proporcionam diversos benefícios, como projetos sociais, agrícolas, de irrigação e de comunicação.
Porém, o alto custo e a baixa eficiência de equipamentos utilizados para conversão da energia solar em elétrica tem se mostrado como obstáculos para uma maior utilização da energia solar. Nos últimos anos, entretanto, diversos avanços têm sido realizados nas tecnologias de aproveitamento desse tipo de energia. Com crescente interesse na sua utilização, cada vez mais tem sido desenvolvido soluções para aumentar o rendimento na geração de energia elétrica e também mais os bancos tem incentivado investimentos, tanto para pessoas físicas como jurídicas, promovendo opções bastante viáveis de financiamento, fazendo com que o uso de energia solar fotovoltaica se torne uma fonte de energia cada vez mais atrativa (ABINEE, 2012).
Entre essas tecnologias para se aumentar o rendimento no aproveitamento da energia solar, estão os rastreadores solares. Este mecanismo consiste em fazer com que a superfície de captação da energia solar acompanhe o movimento do sol ao longo do dia, se deslocando de leste a oeste no movimento de rotação da terra, e/ou ao longo do ano, se deslocando ao longo do eixo norte-sul no movimento de translação terrestre. O rastreamento do sol faz com que os raios solares incidam mais perpendicularmente na superfície de captação, o que proporciona que mais energia solar possa ser aproveitada (ROCHA FILHO, 2013).
Com o aumento de investimentos em energia solar de grande porte, o uso de tecnologias de rastreamento solar em grandes centrais geradoras fotovoltaicas tem se mostrado bastante vantajoso, proporcionando ganhos significativos da produção de energia, em relação a um sistema de estruturas fixas. Ocorre também um aumento na utilização de
trackers em instalações autônomas, pois os custos envolvendo a eletrônica de controle e
mecânica desta tecnologia vem diminuindo bastante, principalmente causados pelo avanço de novas tecnologias, que apresentam manutenções mais baratas e mais simples (ROCHA FILHO, 2013).
A implementação de novas ferramentas tecnológicas para rastreadores solares tornam os resultados mais confiáveis, pois trata-se de uma tecnologia relativamente simples e que proporciona aumentos na produção de energia significativos em troca de um investimento relativamente baixo, em comparação com o custo dos painéis fotovoltaicos. (VÉRAS, 2004).
18 Outro assunto importante de ser citado é sobre os leilões de energia, os quais são as principais formas de contratação de energia elétrica no Brasil. Nessas situações, as empresas que possuem usinas geradoras de energia elétrica são os vendedores de energia e os compradores são as concessionárias distribuidoras e transmissoras, que irão repassar a energia comprada ao consumidor final (EPE, 2015).
Com o passar dos anos, os leilões conseguiram obter uma grande importância para a sustentabilidade do setor elétrico brasileiro. Foi a partir deles que se realizam a concessão de novas usinas e contratos de fornecimento fechados para atender à demanda futura das distribuidoras de energia. Em termos de coordenação hierárquica, todos os leilões de energia passam pela coordenação e controle da Agência Nacional de Energia Elétrica, a ANEEL, a qual, por sua vez, é ligada ao ministério das minas e energia (MME).
O leilão de energia é um processo licitatório, em que uma concorrência é promovida pelo poder público com o objetivo de se obter energia elétrica em um prazo futuro, pré-determinado nos termos de um edital, seja pela instalação de novas usinas de geração de energia, linhas de transmissão até os centros consumidores ou mesmo a energia que é gerada em usinas em operação e com os investimentos já pagos, sendo conhecidas no setor como “energia velha” (EPE, 2015).
A ausência de leilões gera dificuldade ao setor elétrico no que diz respeito ao equilíbrio entre a oferta e o consumo de energia, aumentando consequentemente os riscos de falta de energia e racionamento. Nos leilões, ao definirem-se os preços dos contratos, definem-se também a participação das fontes de energia utilizadas na geração, o que impacta na qualidade da matriz energética do país em aspectos ambientais, bem como no valor das tarifas pagas pelos consumidores.
Projetos de usinas de energia solar começaram a ser aprovados nos leilões a partir do sexto leilão de energia reserva (LER), em 2014. Desde então, foram contratados 94 projetos de usinas solares fotovoltaicas, de acordo com o portal da Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE), totalizando uma capacidade de 2,65 GW de energia solar no Brasil.
Os projetos foram contratados nos leilões de 2014 e 2015, tendo sido contratado 889 MW em 2014 e 1,76 GW em 2015. O leilão que ocorreria em 2016 teve que ser cancelado, e a expectativa é de que no segundo semestre de 2017 volte a ocorrer normalmente e que diversos projetos sejam contratados no Ceará.
19
1.1. Justificativa
Devido a situação atual de crise energética na qual o Brasil ainda passa, a energia solar, juntamente com a eólica, apresentou-se como a aposta para tornar o país menos dependente à energia proveniente dos recursos hídricos, as quais, segundo o Banco de Informações de Geração (BIG, 2017), representam mais de 60% da capacidade de geração do Brasil. As fontes hídricas possuem características intermitentes e imprevisíveis, fazendo com que essa grande dependência apresente riscos e descontinuidades na produção, podendo provocar crises energéticas e ocasionando condições mais custosas de geração de energia.
Na figura 1, os gráficos da esquerda e do meio mostram a evolução da matriz elétrica brasileira nos últimos 10 anos e o da direita mostra a expectativa para o fim de 2017. É possível verificar a diminuição na participação da energia produzida a partir dos recursos hídricos, apesar de ainda ser a principal
Figura 1 – Evolução da matriz elétrica brasileira
Fonte: Elaborado pelo autor através de consultas a EPE e ao BIG.
A figura 1 retrata também o acentuado crescimento da participação das energias eólica e solar na matriz energética do país nos últimos dez anos. Verifica-se que de
20 2007 para 2017, as centrais geradoras eólicas cresceram bastante, de 0,26% para 7,01% de participação, enquanto a solar fotovoltaica continuou baixo, visto que em 2007 sua participação era nula e em 2017 é de 0,10%. Porém, a parcela da geração de energia solar fotovoltaica na matriz está passando por um crescimento bastante acelerado nesse ano e a expectativa é que termine o 2017 com 1,70% de participação. Isso se deve principalmente à diminuição dos custos dessa tecnologia e às linhas de créditos e boas opções de financiamento pelos bancos.
Analisando os dados da CCEE, muitos empreendimentos de grande porte foram contratados no último leilão e a expectativa é que o número de projetos dobrem no próximo. A tecnologia está “barateando”, grandes fabricantes se instalando no país e a tendência é que finalmente o imenso potencial solar do Brasil seja bem aproveitado.
Em usinas solares de grande porte, com grandes investimentos, a busca por obter esse melhor aproveitamento da energia solar é muito importante. O uso de rastreadores solares para fins de otimização da produção de energia de sistemas fotovoltaicos está comprovado e já é utilizado em diversas instalações no mundo, seja para micro, mini ou macro geração. Porém, no Brasil, essa tecnologia ainda não se encontra tão presente, muito por causa do elevado custo adicional ao projeto. Isto se deve tanto por ser uma solução relativamente recente no mercado nacional, como também pelos custos altos em sua instalação e manutenção.
O interesse na tecnologia de rastreadores solares se deve ao fato de ser uma alternativa pouco utilizada no Brasil, e já mostra resultados em todo o mundo de que fornece ganhos relevantes na produção de energia elétrica quando comparada a sistemas de estruturas fixas, com facilidade e custos baixos. Para um país com um potencial considerável para a captação de energia solar, essa questão deve ser melhor analisada e discutida tendo em vista o ganho considerável que há com o uso de trackers nas instalações.
21 1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo Geral
Este trabalho tem como objetivo principal apresentar de forma quantitativa, a partir de dados simulados, o ganho efetivo com a utilização de um sistema de rastreadores solares em uma usina solar fotovoltaica (UFV) no Ceará.
1.2.2. Objetivos Específicos
A partir do direcionamento apresentado no escopo do trabalho, o estudo apresentado a seguir tem como objetivos específicos:
Comparar a produção de energia de uma usina fotovoltaica de grande porte com sistema de rastreamento solar x estrutura fixa, no interior do estado do Ceará, no município de Pentecoste;
Analisar os ganhos de captação de irradiância solar com o uso de sistema de rastreamento solar (trackers).
22 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Este tópico tem como objetivo apresentar uma base teórica dos conceitos para um melhor entendimento dos demais tópicos deste trabalho. São apresentados conceitos importantes relacionados a projetos de sistemas fotovoltaicos, além de mostrar tópicos significativos presentes em estudos já realizados. O conteúdo abordado está organizado em três seções distintas:
A primeira apresenta uma revisão básica sobre radiação solar, explicando os tipos de radiação e alguns tipos de instrumentos de medição, bem como aspectos gerais da energia solar, como importância, características e formas de uso, sobretudo a incidência da radiação direta do sol, importante para o conhecimento do movimento do sol ao longo do dia e do ano para um sistema de rastreamento solar.
A segunda seção descreve sobre os equipamentos empregados para o aproveitamento elétrico da energia solar, como módulos fotovoltaicos, inversores e os componentes elétricos, comentando vantagens, desvantagens, técnicas de melhoria na eficiência da conversão da energia solar e outros tópicos como a forma da conversão da energia solar em elétrica, tipos de células fotovoltaicas e características elétricas dos módulos.
A terceira parte comenta sobre os sistemas de rastreamento solar, abordando princípios de funcionamento, tipos de seguidores e tipos de sistemas de controle de seguimento.
2.1. Energia e Radiação Solar
A energia solar pode ser definida como aquela energia proveniente do Sol, seja na sua forma de calor (energia térmica) ou de luz (energia luminosa). Ela representa a maior fonte de energia presente no nosso planeta, podendo ser considerada inesgotável e apresentando um grande potencial de utilização em sistemas de captação e conversão em outra forma de energia, como a energia elétrica através de painéis fotovoltaicos ou a energia térmica através de coletores planos e concentradores solares.
Quase todas as outras fontes de energia (eólica, biomassa, combustíveis fósseis, hidráulica e energia dos oceanos) são derivadas direta ou indiretamente da energia do Sol. É a
23 partir da energia do Sol que se dá a evaporação, origem do ciclo das águas, que possibilita o represamento e a consequente geração de eletricidade por meios hidroelétricos. Petróleo, carvão e gás natural foram gerados a partir de resíduos de plantas e animais que, originalmente, obtiveram a energia necessária ao seu desenvolvimento da radiação solar. A radiação solar também induz a circulação atmosférica em larga escala, causando os ventos (CRESESB, 2006).
Segundo Foster, Ghassemi e Cota (2009), o Sol fornece cerca de 1,5 x 1018
kWh de energia para a atmosfera terrestre, o que corresponde a algo em torno de 10.000 vezes o consumo de energia na Terra durante o mesmo período. Eles complementam ainda, que o planeta recebe cerca de 10 vezes mais energia solar a cada ano do que aquela contida em todas as reservas conhecidas de petróleo, carvão, gás natural e urânio somados. Entretanto, o que não possibilita atualmente um maior aproveitamento de toda essa energia é o fato de que os equipamentos que realizam a conversão da energia do Sol em energia elétrica possuem um custo elevado, o que pode inviabilizar a sua utilização. Porém, como há atualmente um crescente aumento na produção e utilização destes equipamentos, o preço total das instalações deve diminuir, possibilitando com que uma maior parte da população possa ser beneficiada.
Para quantificar a intensidade de energia solar que chega à superfície terrestre, uma relação geométrica entre o Sol e a Terra deve ser feita, que tem como variáveis fatores como: latitude e longitude do local, data e estação do ano, hora do dia e posição do Sol.
A radiação solar é determinada como a quantidade de energia captada do sol em determinada área e em um determinado período de tempo. É medida em joules por metro quadrado (J/m²) ou, mais comumente, watt-hora por metro quadrado (Wh/m²). Essa quantidade de energia captada é denominada como a irradiância solar, que é a potência (energia dividida pelo tempo) da radiação solar por unidade de área e medida em watts por metro quadrado (W/m²) (OLIVEIRA, 2008).
De acordo com Souza (2014), a quantidade de radiação que chega ao chão, no plano horizontal, depende da localização geográfica, das condições atmosféricas e da estação do ano, pois a atmosfera terrestre age como um filtro que bloqueia parte da energia irradiada pelo sol. Devido a esses fatores, a máxima irradiância que chega à superfície terrestre é em torno de 1000 W/m².
A energia proveniente do Sol pode ser aproveitada, basicamente, de três formas: química, elétrica e térmica. Neste trabalho, uma abordagem da conversão elétrica da
24 energia solar é realizada, entretanto o mecanismo de rastreamento solar pode ser utilizado em basicamente todas as aplicações que utilizem a energia do Sol.
Nem toda a radiação solar (luz e calor) que atinge as camadas mais externas da atmosfera terrestre consegue chegar ao nível do solo. A maior parte é refletida de volta ao espaço ou absorvida pela atmosfera, e somente uma pequena parcela chega à superfície. Esta parcela pode ser dividida em duas componentes, a componente direta e a componente difusa, conforme ilustrado na Figura 2.
Caso a superfície de incidência da radiação solar apresentar alguma inclinação com a horizontal, haverá mais uma parcela da radiação que será refletida pelo ambiente do entorno (solo, vegetação, terreno rochoso). Denomina-se de albedo o índice de reflexão dessas superfícies.
Figura 2 – Ilustração das componentes da radiação solar ao nível do solo
Fonte: CRESESB, 2006
De acordo com Cooper e Martins Júnior (2013), o Brasil apresenta um bom nível de irradiação solar, principalmente no nordeste, em regiões secas de baixa latitude e no litoral leste, com valores médios anuais entre 1200 e 2400 kWh/m2/ano. Quando comparados a maioria dos países europeus, estes valores mostram-se superiores, tendo em vista que a Alemanha tem um valor médio anual de 1250 kWh/m2/ano, França fica entre 900 e 1650 kWh/m2/ano e a Espanha entre 1200 e 1850 kWh/m2/ano.
A radiação direta tem valor zero quando o sol está totalmente encoberto por nuvens e é o tipo de radiação que os rastreadores solares buscam durante o dia.
25
2.1.1. Movimento da Terra
É fundamental para qualquer sistema que possa utilizar a energia solar ter o conhecimento a respeito da movimentação da Terra ao redor do Sol, de modo a sempre procurar obter o máximo de eficiência na captação dessa energia.
Diariamente o planeta realiza seu movimento de rotação, ao girar em torno de seu próprio eixo, e anualmente realiza seu movimento de translação, descrevendo uma trajetória elíptica ao redor do Sol, como ilustrado na figura 3. Esses movimentos, aliados a outros fatores, como a latitude local, faz com que haja uma variação do ângulo de incidência dos raios solares sobre a superfície terrestre ao longo dos dias e durante o dia, ocasionando uma variação na quantidade de energia captada pelo sistema de uso da energia solar (VÉRAS, 2004). Esta característica induz, conforme o caso, à seleção de um sistema apropriado de armazenamento da energia resultante do processo de conversão.
Figura 3 – Representação das estações do ano e movimento da Terra em torno do Sol
Fonte: ANEEL, 2002
2.1.1.1. Declinação solar
Considerando a distância da Terra ao Sol e a diferença dos seus diâmetros, a declinação do Sol é o ângulo entre os raios solares e o plano do equador. Como o ângulo entre o eixo de rotação da Terra e o plano da órbita terrestre se mantém constante, em um
26 determinado período do ano, a declinação do Sol varia regularmente ao longo do ano, repetindo o padrão que origina as estações do ano. Quando a projeção do eixo da Terra sobre o plano da órbita terrestre coincide com a linha que liga os centros da Terra e do Sol, o ângulo entre os raios do Sol e o plano do equador é máximo, atingindo aproximadamente 23° 5' (PALZ, 2005), como esquematizado na figura 4.
Figura 4 – Inclinação do eixo polar em relação ao plano de órbita da Terra
Fonte: Nave Astro.
2.2. Equipamentos e Tecnologias de um Sistema Fotovoltáico
Uma usina fotovoltaica conectada à rede possui como principais componentes os módulos fotovoltaicos, inversores e uma subestação, conforme a Figura 5. É importante entender algumas nomenclaturas usuais nos projetos fotovoltaicos. Uma “string” é uma associação, geralmente em série, de vários módulos fotovoltaicos.
27 Figura 5 – Estrutura de uma instalação fotovoltaica
Fonte: Pinho e Galdino, 2014.
Os módulos são painéis retangulares que convertem a energia solar em energia elétrica. Em usinas de grande porte, de acordo com é comum utilizar módulos que produzem energia de cerca de 310 Wp (Watt peak – potência máxima produzida pelo módulo), possuem tensão de operação na ordem de grandeza de três dezenas de volts e possuem dimensões próximas de 2 m x 1 m x 0,04 m (altura, largura e espessura).
A estrutura mecânica que serve de base para as strings é chamada de mesa fotovoltaica. As strings são conectadas através de caixas de conexão cuja saída seguirá até um inversor, que transformará a tensão de corrente contínua produzida pelos módulos em tensão de corrente alternada, necessária para a transmissão na rede elétrica. Antes de ser injetada na rede, as saídas dos inversores seguem para as subestações unitárias que abrigam os transformadores. Estes elevarão a tensão do sistema para aí sim poderem ser conectadas à rede de distribuição de energia elétrica (PINHO; GALDINO, 2014).
2.2.1. Módulos Fotovoltaicos
O conceito sobre energia solar fotovoltaica é, de maneira mais simples: toda energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade, a partir do efeito fotovoltaico. Este fenômeno, relatado por Edmond Becquerel, em 1839, é observado a partir de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz. Assim, ao serem conectadas por um fio externo, uma corrente elétrica será criada e circulará através desse fio. Portanto, a célula fotovoltaica é a unidade fundamental do processo de conversão (CRESESB, 2006).
28 Os módulos fotovoltaicos são compostos por um conjunto de células fotovoltaicas que realizam a conversão da energia solar em energia elétrica. Tomando como exemplo uma célula de silício cristalino, na figura 6, descreve-se o funcionamento das células solares.
Figura 6 – Estrutura cristalina do silício
Fonte: Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, 2008
Para a fabricação das células, é necessária a utilização de cristais de alta qualidade e silício com alto grau de pureza. Os átomos de silício formam uma estrutura cristalina estável e cada um destes átomos possuem quatro elétrons de ligação (elétrons de valência). Para formar uma configuração estável na estrutura cristalina, dois elétrons vizinhos formam um par de ligações. Dessa forma, o silício ativa sua configuração de gás nobre com oito elétrons vizinhos. Uma ligação elétrica pode ser quebrada pela ação de luz ou calor e assim o elétron fica livre e deixa um buraco na estrutura cristalina. Isto é conhecido como condutividade intrínseca (BRAGA, 2008).
Montando um conjunto de células conectadas em série, agrupadas e laminadas envolvido entre camadas de plástico e vidro, o módulo é formado. Cada conjunto possui uma estrutura de reforço que lhe proporciona rigidez e facilidade para manipulação e instalação. O módulo dispõe ainda de uma caixa de junção, onde ficam armazenadas suas conexões condutoras responsáveis por transferir a energia gerada ou associá-lo a outro equipamento (FOSTER; GHASSEMI; COTA, 2009).
29 De acordo com Ribeiro, Prado e Gonçalves (2012), esta tecnologia apresenta-se como uma boa alternativa para os problemas ambientais, como já citados anteriormente, apresentando um balanço positivo entre as vantagens e as desvantagens. As seguintes vantagens desta tecnologia podem ser citadas:
Fonte de energia limpa, renovável e esgotável, sem emissões de poluentes e com impactos ambientais mínimos;
Os módulos são de fácil manuseio e manutenção;
Tecnologia que pode ser utilizada tanto em baixa como em alta potência; Longa vida útil – cerca de 30 anos.
As desvantagens apresentadas dessa tecnologia são:
Custos elevados de instalação e de produção de energia, quando comparado com outras fontes de energia;
Baixa eficiência dos módulos;
A captação de energia solar incidente depende de fatores como tempo, clima e orientação do módulo em relação ao sol.
Tendo em vista a minimização destas desvantagens, de forma que a geração fotovoltaica possa se tornar cada vez mais uma solução mais atrativa e competitiva, faz-se uso de determinados medidas, como (RIBEIRO; PRADO; GONÇALVES, 2012):
a) maximizar a transferência de energia do painel para a carga: faz-se uso da técnica de procura de ponto de máxima potência da característica tensão versus corrente do painel de modo a garantir o casamento de impedância entre o painel e a carga, diminuindo assim a perda de rendimento causada por essa característica do painel;
b) aumentar a eficiência das células fotovoltaicas: sendo os painéis fotovoltaicos constituídos de células fotovoltaicas, uma melhora no rendimento dos painéis ocorre com um aumento na eficiência das células. Por isso, constantemente têm sido feitas pesquisas em busca de materiais que promovam essa eficiência, com uma tendência para a redução de preço dos painéis devido ao aumento da escala de produção e das novas tecnologias de materiais e fabricação. Neste trabalho, na seção que trata de células fotovoltaicas, serão dados mais detalhes acerca da eficiência de alguns tipos de células;
30 c) aumentar a captação da energia incidente no painel: a radiação solar incidente em um painel pode ser maximizada através da instalação de equipamentos seguidores solares, que têm como objetivo procurar manter o painel sempre perpendicular aos raios solares incidentes. Será nessa técnica que será dado maior enfoque neste trabalho.
Ao se realizar o dimensionamento e a instalação de módulos fotovoltaicos, é necessário que haja atenção redobrada com sombreamentos nos painéis e com que esses efeitos não venham a acontecer durante os anos de operação deles. O sombreamento dos módulos geralmente está associado aos seguintes fatores:
Distância entre as strings de módulos fotovoltaicos – caso as strings sejam montadas sem ser respeitado uma distância mínima;
Perdas de orientação caso seja utilizado sistema de rastreamento solar.
2.2.1.1. Tecnologias existentes
As tecnologias mais difundidas atualmente são as células de silício cristalino (monocristalino ou policristalino), de filmes finos (silício amorfo e telureto de cádmio).
2.2.1.1.1. Silício monocristalino
Esta tecnologia é as mais usada comercialmente e também a mais eficiente, chegando até 15% para uso comercial e 18% em células feitas em laboratório, quando comparada à células de silício policristalino e silício amorfo, porém são mais caras. Células monocristalinas também apresentam um processo de fabricação relativamente simples (TIRADENTES, 2007).
2.2.1.1.2. Silício policristalino
31 A célula de silício policristalino apresenta um processo de fabricação menos rigoroso e eficiência inferior, se comparada com a célula de silício monocristalino, chegando à faixa de 13%. Sua grande vantagem perante as demais é seu menor custo (Tiradentes, 2007).
2.2.1.1.3. Filmes Finos
O módulo fotovoltaico de filme fino pode ser caracterizado pelo material fotovoltaico contido em seu substrato. Este material pode ser silício amorfo (a-Si), telureto de cádmio (CdTe), cobre, índio e gálio seleneto (CIS/CIGS) e células fotovoltaicas orgânicas (OPV). Apresentam como vantagens o baixo custo de fabricação, é menos sensível ao sombreamento, possui flexibilidade, tendo assim um maior leque de aplicabilidade. Porém, quando comparada com as tecnologias de silício cristalino, perdem em sua eficiência e em sua durabilidade e garantia.
2.2.2. Inversores
Os inversores são dispositivos eletrônicos que convertem a eletricidade de corrente contínua (CC) gerada pelos módulos fotovoltaicos na eletricidade de corrente alternada (CA), idealmente em conformidade com os requisitos da rede local. A tensão CA de saída deverá ter amplitude, frequência e conteúdo harmônico adequadas às cargas a serem alimentadas. No caso de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica, a tensão de saída do inversor deve ser sincronizada com a tensão de rede.
Este equipamento também pode desempenhar uma variedade de funções para maximizar a produção da planta. Estes variam desde a otimização da tensão em todas as strings e ao monitoramento do desempenho das strings até os dados de registro, proporcionando proteção e isolamento em caso de irregularidades na grade ou com os módulos fotovoltaicos (IFC, 2015).
Além de realizar a conversão da energia gerada pelos módulos fotovoltaicos, alguns inversores interativos possuem um sistema de seguidor de máxima potência ou MPPT (sigla do inglês – maximum power point tracking). De acordo com Foster; Ghassemi e Cota
32 (2009), esse mecanismo permite a obtenção do máximo de potência do arranjo fotovoltaico mesmo com as variações de temperatura e intensidade solar.
Para a determinação de qualidade dos inversores, deve-se verificar sua eficiência de conversão. Segundo Tavares Pinho e Galdino (2014, p. 231), a eficiência dos inversores não é constante e seu valor depende da potência demandada pelos equipamentos de consumo e de seu fator de potência. Os fabricantes normalmente informam a eficiência na carga nominal, mas nem sempre destacam o fato de que sob cargas parciais suas máquinas apresentam baixas eficiências. Para sistemas com necessidades variáveis de potência, cargas parciais com altas eficiências são importantes.
Existem duas classes amplas de inversores: inversores centrais e inversores descentrais. Os centrais são inversores trifásicos de grande porte, com potência para atuar em uma faixa de centenas de KWp até MWp e são utilizadas em usinas fotovoltaicas.
A configuração do inversor central mostrada na figura 7 é geralmente a primeira escolha para muitas plantas fotovoltaicas solares de grande e médio porte. Um grande número de módulos são conectados em uma série para formar um fio de alta tensão (AT). As strings são então conectadas em paralelo ao inversor.
Figura 7 – Configuração de um inversor central
Fonte: IFC, 2015
Os inversores centrais oferecem alta confiabilidade e simplicidade de instalação. São também mais baratos, apresentam uma maior eficiência e uma maior
33 durabilidade. Porém, tem como desvantagens sua dificuldade de transporte devido ao seu tamanho, quantidade baixa de MPPTs e necessita de uma preparação de terreno antes de ser instalado.
Em contrapartida com os inversores centrais, os descentrais fornecem MPPT em um nível de string com todas as strings sendo independentes uma das outras. A utilidade disto se mostra nos casos em que os módulos não podem ser instalados com a mesma orientação, ou onde módulos de especificações diferentes estão sendo usados ou quando a instalação apresenta problemas de sombreamento (IFC, 2015).
Figura 8 – Configuração de um inversor descentral
Fonte: IFC, 2015
Outras vantagens são que os inversores descentrais podem receber manutenção ou podem ser substituídos por pessoas não especializadas. Sendo assim, caso haja necessidade de troca de equipamento, ocorre de forma rápida e simples. Também é recomendado manter inversores descentrais reservas para caso algum imprevisto venha a acontecer. Fazendo uma comparação, quando ocorre uma falha de um grande inversor central, é necessário que um técnico especializado vá até o local reparar a máquina, demandando um longo tempo e causando perdas de rendimento significativas.
34
2.2.3. Sistemas Fotovoltaicos
O sistema fotovoltaico pode ser definido como o conjunto de equipamentos e componentes responsáveis por fazer a conversão da energia incidente do sol em energia elétrica. Tais sistemas podem ser classificados de três maneiras, de acordo com sua aplicação final: on-grid ou conectado à rede, off-grid ou desligado à rede (conhecido também como isolado ou autônomo) e híbrido, em que apresenta mais de uma fonte de geração de energia (SOUZA, 2014).
Basicamente, um sistema fotovoltaico é composto dos seguintes dispositivos (IFC, 2015):
Módulos fotovoltaicos – responsáveis pela captação de energia solar;
Inversores – responsáveis por converter a corrente fornecida pelos módulos (CC) em corrente alternada (CA);
Caixas de junção – responsáveis por unir um certo número de strings (devem ser escolhidas de acordo com algumas características, como tensão e corrente de entrada);
Transformador – responsável por aumentar a tensão obtida pelo inversor para a tensão de rede de transmissão na qual a UFV será conectada (nas usinas, o transformador normalmente fica instalado em uma estrutura de alvenaria chamada de subestação unitária);
Estruturas de base – sistemas fixos ou trackers;
Banco de baterias – responsável pelo armazenamento de parte da energia gerada;
Controlador de carga – dispositivo com função de evitar sobrecarga ou descarga excessiva das baterias.
2.3. Seguidores Solares - Trackers
Os sistemas fotovoltaicos, conforme dito anteriormente, estão em constante crescimento no mercado brasileiro, mas ainda tem uma parcela de participação bastante baixa na matriz energética nacional. Isto se deve principalmente pelos altos custos que essa tecnologia ainda possui e com a baixa eficiência apresentada pelos painéis comercializados.
35 Com isso, algumas soluções tem sido desenvolvidas e a que mais se destaca tem sido os sistemas de rastreamento solar, popularmente conhecidos como trackers.
Esse sistema tem como objetivo aumentar a captação da radiação solar pelo módulo fotovoltaico ao buscar manter sempre o plano dos módulos perpendiculares à radiação solar incidente, que é a situação mais favorável para o aproveitamento ótimo de energia. Tais sistemas podem ser utilizados praticamente todas as formas de captação da energia solar, ou seja, tanto para instalações fotovoltaicas como em coletores planos e concentradores solares.
Um sistema de rastreadores solares, em alguns casos, apesar de acrescentar em cerca de 20% o preço total de um sistema de geração fotovoltaica, também pode acarretar no aumento em algo na faixa de 40% as receitas geradas. Os rastreadores fotovoltaicos também geralmente apresentam um baixo custo de manutenção (GIL et al., 2009). Existem diversos tipos de rastreadores solares, que variam em relação a custo, complexidade e funções, além de apresentar funcionamento com diferentes números de eixos e fornecerem diversos graus de precisão. A figura abaixo apresenta a composição básica de um sistema de rastreamento solar:
Figura 9 – Diagrama funcional de um rastreador solar
Fonte: Ribeiro; Leite do Prado e Gonçalves, 2012
De acordo com Ribeiro, Leite do Prado e Gonçalves (2012), ao analisar a figura, os dados de latitude e longitude do local da instalação, as coordenadas solares e a hora solar para a inicialização da orientação do painel são fornecidos no bloco “Aquisição”. Em “Sensores”, os sinais de controle para a viabilização do rastreamento independente das coordenadas solares e horárias são fornecidos. Os sensores podem ser as próprias células fotovoltaicas, medidores de corrente, potência, de irradiância, ruído térmico ou fotoresistores (LDR – Light Dependent Resistor).
36 O bloco “Acionador” consiste em mecanismos, motores e os atuadores ao movimento dos módulos. O “Controlador” são os microcontroladores. Outros blocos funcionais podem agregar-se ao rastreador, tais como, relógio, temporizador, datalogger, interface homem/máquina (display, alarme, etc.), dependendo do seu tipo ou aplicação. Normalmente o rastreador solar integra-se ao MPPT, compartilhando recursos.
Como mencionado anteriormente, a geração de energia solar fotovoltaica só não teve um crescimento tão acentuado nos últimos dez anos, como houve com a energia eólica, devido ao seu alto custo de instalação e à baixa eficiência dos módulos. Com o passar dos anos, essa tecnologia foi se tornando mais barata, porém pouco mudou na eficiência dos módulos, seja utilizando células mono ou policristalinas e filmes finos.
Diversos avanços foram realizados na tecnologia de geração de energia fotovoltaica, e por conta disso, atualmente o uso desta tecnologia já está bem mais viável. Uma das soluções que tem mais agradado é a utilização de sistemas de rastreamento solar nas instalações de grande porte (CORTEZ, 2013). O aumento de eficiência total do sistema para alguns locais pode ser de quase 30%, mas ao analisar o sistema como um todo, é observado que em alguns casos esse ganho de produção não é tão vantajoso no ponto de vista financeiro, principalmente tendo como base o mercado brasileiro.
Figura 10 – Comparação entre a energia gerada em um dia por um sistema fixo e um sistema de rastreamento solar
37 Projetos com trackers apresentam um aproveitamento melhor da energia do sol, mas o custo operacional e de manutenção às vezes não vale tanto à pena ao investidor, se tornando a principal desvantagem do uso dessa tecnologia (CORTEZ, 2013). Para o Brasil, a tendência é que o uso de trackers demore um pouco ainda para se consolidar. As principais empresas do ramo estão começando a se instalar no país e com certeza isso deverá influenciar na redução dos preços. Ainda assim, analisando para usinas de grande porte, essa tecnologia é já está se tornando atrativa.
Os sistemas de rastreamento solar podem ser definidos em dois tipos: ativos ou passivos.
2.3.1. Rastreamento solar passivo
Esse tipo de seguidor é composto por dois cilindros nas extremidades leste e oeste do módulo solar, contendo na maioria das vezes um líquido denominado de Freon (CORTEZ, 2013), e um tubo de interligação entre estes, de modo a permitir a passagem do líquido de um para o outro, conforme ilustrado na figura 11. Ele funciona baseado na ação da força da gravidade, onde ocorre o aquecimento do líquido presente no cilindro que está recebendo a luz do sol (quando os raios solares não estão incidindo em um ângulo de 90° com o módulo), passando para a forma gasosa, se expandindo e se deslocando para o outro cilindro, onde irá se condensar e provocar o movimento do sistema ao deslocar o centro de gravidade do mesmo.
Um seguidor passivo é mais adequado em altas temperaturas e deve ser utilizado em locais onde a variação térmica seja suficiente para provocar a expansão do gás (CORTEZ, 2013). Apresenta vantagens como simplicidade de instalação e a não necessidade de outros mecanismos para o seu funcionamento, como motores. Em contrapartida, tem como desvantagens baixa precisão e é sensível a influência de ventos e a falta parcial da radiação solar, como em dias nublados (CLIFFORD; EASTWOOD, 2004).
38 Figura 11 – Sistema de rastreamento solar passivo
Fonte: Véras, 2004.
2.3.2. Rastreamento Solar Ativo
Os rastreadores ativos são caracterizados por possuírem diferentes tipos de rastreamento solar. Apresentam um sistema de controle com sensores, controladores e dispositivos atuadores, como motores, que permitem que o rastreamento solar seja realizado de forma ativa (CORTEZ, 2013).
Um rastreador ativo pode ser classificado, basicamente, de acordo com o tipo de movimento eixo realizado, em (CORTEZ, 2013):
Tracker de eixo horizontal; Tracker de eixo polar; Tracker de eixo vertical; Tracker polar de dois eixos.
A figura abaixo ilustra uma comparação de energia produzida por diferentes tipos de rastreadores solares em diferentes locais.
39 Figura 12 – Estimativa da energia produzida por um sistema de 1 kWp usando variados tipos
de seguidores em diferentes cidades
Fonte: Adaptado de CORTEZ, 2013
A seguir cada um desses tipos de seguidores e suas possíveis formas de controle de rastreamento serão descritos com mais detalhes.
2.3.2.1. Tracker de eixo horizontal
Neste tipo de tracker, os módulos fotovoltaicos são montados em cima de um eixo em forma de um tubo horizontal, apoiado em suportes. Esse tubo pode ser paralelo ao eixo norte-sul ou ao eixo leste-oeste, girando sobre seu eixo de forma a acompanhar o movimento do sol ao longo do dia, no caso de eixo norte-sul, ou ao longo do ano, no caso de eixo leste-oeste (CORTEZ, 2013).
Quando o eixo do painel for paralelo ao eixo leste-oeste, o sistema pode operar sem um sistema automático de rastreamento, funcionando conforme uma série de posições fixas estabelecidas anteriormente à instalação (CORTEZ, 2013). Esse tipo de rastreador solar
40 é utilizado também em concentradores solares com espelhos cilíndricos-parabólicos (ROCHA FILHO, 2013).
Suas vantagens são: baixo custo de instalação, simplicidade, robustez e pouca necessidade de manutenção. Este tipo de sistema permite também a montagem de múltiplos módulos sobre o mesmo eixo. As desvantagens deste tipo de sistema de rastreamento é a restrição de seu uso em estações com dias curtos, por não apresentar ganhos relevantes, e por sua eficiência não ser vantajosa como a dos outros tipos de rastreadores (CORTEZ, 2013).
Figura 13 – Sistema de rastreador solar horizontal N-S
Fonte: Apostila Solarize, 2017.
2.3.2.2. Tracker de eixo polar
O tracker de eixo polar apresenta um eixo inclinado, normalmente de acordo à latitude local, orientado na direção norte-sul e paralelo ao plano do módulo. Esse eixo será o eixo de rotação para o tracker. A inclinação desse eixo tem como objetivo fazer com que o coletor esteja perpendicular à radiação solar nos equinócios da primavera e outono, com um pequeno erro ocorrendo nos demais dias do ano (CORTEZ, 2013).
Este tipo de tracker é relativamente simples e faz com que haja um ganho interessante na eficiência do sistema (CORTEZ, 2013).
41
O tracker de eixo vertical, também denominado de tracker azimutal, apresenta um eixo fixo vertical ao plano terrestre, por onde o módulo irá rotacionar durante o dia, acompanhando o sol de leste a oeste conforme o ângulo de azimute, com o objetivo de manter o ângulo de azimute do sol igual ao ângulo de azimute da superfície. O ângulo de inclinação do módulo é obtido de acordo com a latitude local e é ajustado manualmente de acordo a estação do ano (CORTEZ, 2013).
Este tipo de mecanismo apresenta montagem mecânica e elétrica simples e de baixo custo, com manutenção também de baixo custo e robustez, apresentando menos 7% de radiação coletada que um tracker de dois eixos e mais 4% que um tracker de eixo polar (CORTEZ, 2013), e possuem bom desempenho em latitudes e estações do ano onde os dias são longos (IFC, 2015).
2.3.2.4. Tracker polar de dois eixos
Este tipo de rastreador apresenta uma haste vertical que permite o movimento no eixo Leste-Oeste, procurando manter o azimute de superfície igual ao azimute do Sol, e um poste horizontal, ao qual está presa a armação onde o módulo será montado (CORTEZ, 2013), que permite o movimento no eixo Norte-Sul, procurando manter a constante correção da inclinação do módulo em relação ao Sol, de modo que o ângulo de inclinação do painel seja complementar ao ângulo da altura solar. Na figura 13 é possível observar tais movimentações. Com a movimentação nesses dois eixos é maximizado o aproveitamento da radiação direta incidente no painel ao minimizar o ângulo de incidência dos raios solares.
42 Figura 14 – Seguidor solar de dois eixos
Fonte: Portal Solar.
As desvantagens desse tipo de rastreador, em relação aos outros tipos de rastreadores citados, consistem no grande esforço a que está sujeito todo o sistema, devido ao seu elevado peso, e a sua complexidade mecânica (CORTEZ, 2013).
Este tipo de seguidor é considerado o mais comum no mercado, sendo usados em parques solares, mas podendo ser utilizados também em sistemas de menor capacidade, com um menor número de módulos. Esta versatilidade é uma de suas principais vantagens (GIL et al., 2009).
43 3. METODOLOGIA
3.1. Obtenção dos Dados Para a Alimentação do Programa
Para a análise deste trabalho, com base em toda a fundamentação teórica apresentada, duas situações para uma usina solar fotovoltaica de grande porte são analisadas: uma utilizando estrutura fixa e outra usando sistema de rastreamento solar. A análise baseou-se nos cálculos e resultados obtidos nas simulações do programa PVsyst.
O principal objetivo deste estudo consiste na comparação dessas duas situações de uma instalação fotovoltaica para uma determinada área e a avaliação do potencial solar da região. Para obtenção dos resultados foi utilizado o software PVsyst, que auxiliou no cálculo da potencial produção anual de energia para a usina, e o software AutoCAD, para o desenvolvimento dos desenhos do layout de acordo com a área útil fornecida e os equipamentos escolhidos. Outras ferramentas utilizadas em conjunto com as acima citadas foram os softwares com Google Earth e com o Global Mapper, para obtenção das imagens das áreas via satélite e para georreferenciar os layouts desenhados no AutoCAD.
Foi utilizada na modelagem do PVsyst os dados climatológicos, referentes as variáveis de temperatura, umidade e radiação, obtidos a partir de uma base de dados virtual Meteonorm. Esta base de dados em questão utiliza uma série sintética e virtual de dados construída a partir de valores mensais obtidos de estações meteorológicas próximas ao projeto, portanto, a utilização desta base de dados, permite uma avaliação preliminar, consequentemente gerando incertezas ainda aos resultados obtidos do projeto. O local disponível para implantação do projeto estudado no seguinte trabalho encontra-se no interior do Ceará, no município de Pentecoste, e apresenta uma temperatura média de 27,1ºC com um quadra chuvosa não muito extensa. Na figura 14, é mostrado uma tela do programa, na qual é informado os dados obtidos pela base de dados Meteonorm para o local do projeto. São informados os valores estimados mensais de irradiação global e difusa, temperatura e velocidade do vento.
44 Figura 15 – Dados gerados pela base de dados Meteonorm para Pentecoste
Fonte: Elaborado pelo autor a partir do programa PVsyst.
Para que não haja incertezas, ou para reduzi-las, é recomendado ao projetista realizar o dimensionamento com os dados obtidos após um ano de medição na estação de medição solarimétrica, exigida pela EPE, localizada dentro da área do projeto.
Há de se referir que, ao final de um ano da medição de dados da torre solarimétrica do projeto, os dados resultantes medidos permitirão uma avaliação mais precisa do potencial de radiação solar para a microrregião e possibilitará a obtenção de resultados de produção de energia mais real e com menos incertezas.
A área para implantação do projeto foi fornecida pelo cliente e contempla a área disponível a ser utilizada de 314,55 hectares, em consonância com a avaliação de uso e ocupação do solo sob os aspectos ambientais. Assim, esta área disponível foi importada para o AutoCAD para que fosse avaliado e desenvolvido o layout preliminar de disposição dos equipamentos. Em seguida, após georeferenciar o layout, o arquivo é importado ao Google Earth, com o auxílio do Global Mapper, com o intuito de obter uma visualização mais precisa da área com o desenho do layout inserido a partir de imagem de satélite. Esta área descrita é mostrada na figura 15, onde a área em azul é para a instalação da usina fotovoltaica.
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Figura 16 – Área do projeto
Fonte: Elaborado pelo autor.
3.2. Visão Geral Sobre o Software Utilizado (PVSYST)
O software PVsyst é um dos mais completos e populares programas de dimensionamento de sistemas fotovoltaicos do mercado, sendo de uso genérico e não estando vinculado aos fabricantes de inversores. É uma ferramenta muito utilizada para desenvolver sistemas fotovoltaicos realizando análises detalhadas do desenvolvimento, das simulações e relatando os dados completos dos sistemas.
Ele permite dimensionar o tamanho da instalação tendo em conta a radiação solar com base em sua localização, o que permite o desenho em 3D e levando em consideração a projeção de sombreamentos através de simulação com o movimento do sol durante o dia.
O programa também dispõe da análise econômica utilizando custos reais dos componentes, os custos adicionais e condições de investimento em qualquer moeda. PVsyst é uma ferramenta paga, mas é possível obter gratuitamente por um período de um mês para teste e, em seguida, se não for adquirida uma licença, o usuário terá que utilizá-lo em modo de demonstração.
46 O programa é comercializado pela PVSYST SA da Suíça, cuja especialidade é o desenvolvimento e distribuição de softwares comerciais para dimensionamento de sistemas fotovoltaicos conectados à rede ou isolados, com várias funcionalidades e ferramentas, tais como: simulação de produção de eletricidade, avaliação econômica, pré-dimensionamentos, efeitos de sombreamentos, importação de dados meteorológicos e outras facilidades (SEYR JUNIOR, 2013)
O programa é desenvolvido somente para ambiente MS-Windows e atualmente está em sua versão 6.63 (23/06/2017). O idioma básico é o inglês, porém já possui versões traduzidas para alemão, francês, espanhol e italiano. O tutorial de uso para o software está disponível somente em inglês, sendo composto de 102 páginas em formato pdf, cujo arquivo pode ser descarregado gratuitamente do site do PVsyst. Este documento contém três diferentes tutoriais que descrevem os aspectos básicos da simulação: criação de um projeto conectado à rede, construção e uso de cenários de sombreamento 3D e dados meteorológicos em PVsyst.
Esta versão do programa pode ser descarregada no site www.pvsyst.com e possui um tamanho de cerca de 150 MB. Uma vez instalado, o software irá funcionar no modo
Evaluation, com todas suas funcionalidades disponíveis pelo período de 30 dias, mas caso o
usuário realize impressão de relatórios, os mesmos apresentarão a marca d’água Evaluation
Mode. Para a execução deste trabalho, o programa foi utilizado no computador pessoal do
autor dentro desse período, entre os dias 26 de maio e 25 de junho.
Ao encerrar esse período de teste, o programa passa a funcionar no modo “Demo”, com a perda de praticamente todas suas funcionalidades e limitando a base de dados a poucas localidades. Comprando uma licença, o uso do programa será completo e ilimitado (SEYR JUNIOR, 2013).
3.2.1. Funcionalidades
O programa PVsyst fornece relatórios detalhados, com dados do projeto, gráficos, tabelas e diagramas. Dispõe de uma ferramenta de ajuda que detalha os procedimentos e modelos adotados no programa. Abaixo é listado uma visão geral das aplicações e ferramentas disponíveis no software:
47 Projeto preliminar para estudo inicial da instalação com estimativa de produção; Desenvolvimento de projeto, com dimensionamento de sistemas conectados à
rede, dimensionamento de cabos CC e CA, estudo de perdas de sombreamento, estimativas de perdas e incertezas;
Possibilidade de importação e exportação de dados de várias fontes diferentes, inclusive de base de dados meteorológicos, como o METEONORM;
Relatório completo dos resultados, simulando a perda energética e realizando uma análise econômica e uma estimativa de retorno do investidor.
O programa possui três opções de análise do sistema fotovoltaico, que correspondem aproximadamente às diversas etapas de desenvolvimento do projeto: projeto preliminar, elaboração do projeto, análise dos dados medidos.
O “projeto preliminar” é a etapa de pré-dimensionamento de um projeto fotovoltaico, em que ocorre uma estimativa grosseira da produção de energia no sistema durante uma avaliação inicial de um site. Apenas alguns parâmetros ou características gerais do sistema são utilizados, sem especificar os seus componentes reais, como os modelos de módulos fotovoltaicos e inversores.
A opção “elaboração do projeto” é para a realização de um projeto fotovoltaico completo, em que diferentes simulações no sistema são feitas, permitindo uma análise comparativa ao final do dimensionamento. A performance do sistema é simulada na produção detalhada por hora, que fornece resultados mais realistas. Deve ser informada a orientação (azimute), a inclinação dos módulos fotovoltaicos, o tipo de montagem e realizar a escolha dos componentes específicos do sistema, tais como: modelo e quantidade de módulos fotovoltaicos e o modelo de inversor. Em um segundo passo, o usuário pode especificar parâmetros mais detalhados e fazer uma análise apurada do seu comportamento térmico, do cabeamento elétrico da instalação, da qualidade do módulo, das incompatibilidades e perdas devido ao ângulo de incidência, dos sombreamentos na linha do horizonte e por objetos próximos, permitindo ainda outros detalhamentos. Foi a partir deste item do programa que o presente trabalho foi abordado.
A opção “análise dos dados medidos” nada mais é que uma ferramenta de avaliação posterior à instalação do sistema fotovoltaico, que utiliza dados reais da produção para exibir tabelas e gráficos da sua performance real, além de realizar comparações com
48 variáveis simuladas para aprimorar o seu funcionamento, permitindo a constatação e identificação do menor mau funcionamento.
